Графический ввод и редактирование принципиальных схем в программном пакете Micro-Cap

1. Описание системы меню МС

2. Создание чертежа схемы

3. Форматы задания компонентов и переменных Заключение Список литературы:

схемотехническое моделирование microcomputer

Пакеты программ схемотехнического моделирования и проектирования семейства Micro-Cap (Microcomputer Circuit Analysis Program — «Программа анализа схем на микрокомпьютерах») фирмы Spectrum Software относятся к наиболее популярным системам автоматизированного проектирования (САПР) электронных устройств. Последние версии Micro-Cap (далее МС), обладая большими сервисными возможностями, позволяют выполнять графический ввод и редактирование проектируемой схемы, проводить анализ характеристик аналоговых, цифровых и смешаных аналого-цифровых устройств. С помощью МС можно осуществить анализ электрических схем по постоянному току, рассчитать переходные процессы и частотные характеристики проектируемых схем, провести оптимизацию параметров схемы. Программы МС имеют средства синтеза пассивных и активных аналоговых фильтров, средства моделирования функциональных схем аналоговых и цифровых устройств, обладают возможностями построения 3-мерных графиков результатов моделирования и многое другое.

1. Описание системы меню МС

Схемы создаются и редактируются с помощью набора команд, сгруппированных в системе ниспадающих меню. Наиболее употребительные команды вызываются нажатием на пиктограммы или комбинации «горячих» клавиш. В табл. 1.1 приведен список пиктограмм основных команд, доступных в некоторых режимах редактора схем.

Таблица. 1.1

Набор пиктограмм для каждого из меню (File, Edit и т. д.) можно менять, воспользовавшись закладкой Main Tool Bar диалогового окна Preferences, находящегося в меню Options. Далее приводится краткое описание меню, доступных при редактировании принципиальных схем.

Меню File содержит команды для работы с файлами схем, текстовыми заданиями в формате SPICE, файлами библиотек математических моделей и текстовыми документами. Для работы с чертежами схем в формате МС8 необходимо выбрать тип файла Schematic, при этом файлам схем присваивается расширение *,cir. Пиктограммы основных команд New (Создать), Open (Открыть), Save (Сохранить), Print (Сохранить), Print Preview (Предварительный просмотр) показаны на рис. 2.1. Команда Save As (пиктограмма отсутствует) позволяет сохранить схему из активного окна в новом файле, имя которого указывается по дополнительному запросу. Закрыть текущее окно схемы можно, воспользовавшись командой Close, комбинацией клавиш Ctrl+F4 или кнопкой, находящейся в строке меню.

Меню Edit содержит команды редактирования. Помимо стандартных для Windows-приложений команд, таких как Undo/Redo (- откат назад/вперед), Cut (- вырезать выбранный объект), Copy (- копирование выбранного объекта в буфер обмена) и Paste (- копирование содержимого буфера обмена в текущее окно) следует отметить и некоторые другие (полезные на начальном этапе освоения МС) команды. Команда Copy to Clipboard осуществляет копирование содержания текущего окна в буфер обмена. Имеется несколько режимов выполнения данной команды (рис. 2.2):

— копирование видимой части активного окна в формате BMP;

— копирование выбранной части окна в формате BMP;

— копирование активного окна в формате WMF;

— копирование активного окна в формате EMF.

Команда Copy… может быть полезна, например, при оформлении отчета в редакторе Microsoft Word (копирование в отчет электрических схем, результатов экспериментальных исследований и т. п.).

Команда Box позволяет редактировать объекты, заключенные в прямоугольную рамку, копировать фрагменты схем указанное количество раз, создавать зеркальное отражение фрагмента схемы, вращать фрагмент схемы на 900, зеркально отображать выбранный фрагмент относительно оси x или y. Пиктограммы соответствующих команд изображены на рис. 2.3.

Меню Component содержит каталог библиотек аналоговых и цифровых компонентов. Каталог имеет иерархическое меню, пример которого приведен на рис. 2.4.

При выборе компонента в МС8 высвечивается его условное графическое изображение (на рис. 2.4 это n-p-n транзистор), что существенно упрощает работу с каталогами компонентов. Библиотеки Analog Primitives и Digital Primitives содержат модели типовых компонентов без указания значений их параметров. Библиотеки Analog Library и Digital Library содержат модели аналоговых и цифровых компонентов разных фирм. Библиотеки можно пополнять с помощью команды Component Editor из меню Windows. Выбор компонента из соответствующего каталога осуществляется щелчком мыши по названию компонента. После этого необходимо перевести курсор на свободное поле рабочего окна и еще раз щелкнуть по левой кнопке мыши. Перемещение мыши при нажатой левой кнопке приводит к перемещению компонента на схеме. Развернуть выделенный компонент на 900 можно щелчком по правой кнопке мыши, удерживая при этом левую кнопку в нажатом состоянии. Пиктограммы часто встречающихся компонентов могут быть размещены на строке инструментов с помощью закладки Main Tool Bar диалогового окна Preferences (меню Options). На рис. 2.5 представлен пример пиктограмм некоторых компонентов электрических схем, которые можно вызывать в рабочее окно без обращения к меню Component.

Другой способ быстрого выбора отдельных компонентов возможен, если воспользоваться закладкой Component Palettes упомянутого выше диалогового окна Preferences, которая позволяет нанести на схему до 9 списков (панелей) компонентов (рис. 2.4). Выбор компонента из списков осуществляется щелчком мыши по названию компонента.

После выбора компонента и фиксации его в рабочем окне схемы открывается окно для задания позиционного обозначения, параметров компонента или имени его модели (рис. 2.6). Окно задания атрибутов компонентов можно также вызвать (например, для изменения параметров), дважды щелкнув по выбранному компоненту. При выборе в окне одного из параметров на строке сообщений приводится формат его ввода. На рис. 2.6 показан пример задания величины резистора R1.

Меню Windows содержит команды работы с окнами. Список некоторых его команд приведен в табл. 2.2. При проведении анализа схем рекомендуется использовать команды работы с окнами, которые позволяют вывести на экран и саму схему, и результаты анализа.

Таблица 2.2

Меню Options содержит команды выбора режима редактирования (Mode), выбора информации, видимой на схеме (View), вывода в окно схемы панелей компонентов (Component Palettes), а также команды задания различных параметров программы МС. Список части команд, доступных в режиме редактирования схем, представлен в табл. 2.1. Другие команды доступны в различных режимах анализа и будут рассмотрены в разделе 4. Эти команды, как правило, снабжены пиктограммами, что существенно упрощает и ускоряет приобретение навыков работы с программой МС.

Команда Main Tool Bar обеспечивает включение/выключение строки инструментов (Default Main Tool Bar — размещение панелей инструментов по умолчанию), а команда Status Bar - включение/выключение строки описания текущей команды (на рис. 1.1 данные строки включены).

При выборе команды Preferences () открывается диалоговое окно для установки и изменения различных параметров, значения которых сохраняются в файле текущей схемы. Окно имеет 9 закладок, в числе которых упомянутые выше закладки Main Tool Bar (выбор кнопок, размещаемых в меню инструментов) и Component Palettes (выбор панелей инструментов). Основная закладка Common Options обеспечивает установку 30 параметров функционирования программы MC8. Стандартная конфигурация параметров устанавливается нажатием кнопки Default, остальные параметры пользователь может включить (изменить) самостоятельно. Например, включение параметра Select Mode приводит к автоматической установке режима «выбор объектов» после завершения любого другого режима, что, в частности, облегчает графический ввод и редактирование схем. При включении параметра Show Slider у изображения батарей и резисторов автоматически размещаются движковые переключатели, которыми можно управлять с помощью мыши в диапазоне минимальных и максимальных значений номиналов компонентов. Подробное описание остальных параметров данной закладки, а также сведения о других закладках можно найти в меню Help или в.

Команда Options>Global Setting () открывает диалоговое окно установки глобальных параметров моделирования (допустимые ошибки расчетов, количество итераций при расчетах и др.).

Меню Analysis содержит упомянутый выше перечень режимов моделирования (см. раздел 1.3), предусмотренных в программе МС8. Подробно выполнение моделирования электрических схем в различных режимах рассмотрено в разделе 4.

Меню Design содержит две команды Active Filters и Passive Filters для синтеза активных и пассивных фильтров в диалоговом режиме.

Меню Model содержит команды встроенной программы расчета параметров моделей аналоговых компонентов, которые доступны только в профессиональной версии МС8.

Меню Help программы Micro-Cap 8 содержит не только команды работы со средствами встроенной текстовой помощи (справочная и поисковая система, рекомендации), но и большое количество демонстраций (Demo) о работе МС в различных режимах.

Несмотря на то, что программа МС легко управляется с помощью набора пиктограмм и мыши, иногда удобно пользоваться «горячими» и функциональными клавишами, назначение которых приведено ниже:

F1 — вызов меню помощи Help;

F2 — начало моделирования после выбора одного из видов анализа;

F3 — выход из режимов анализа и возвращение в окно схем;

F4 — отображения окна графиков результатов анализа;

Ctrl+F4 — закрытие активного окна;

F5 — отображение текстового выходного файла моделирования;

F6 — возвращение к исходному масштабу графика;

Ctrl+F6 — циклическое переключение открытых окон;

F7 — переключение в режим масштабирования Scale;

F8 — переключение в режим электронного курсора Cursor;

F9 — очистка окна графиков в режиме Probe;

Ctrl+F9 — удаление всех графиков;

F10 -открытие окна Properties;

F11 — открытие окна варьирования параметров (в режиме Transient);

F12 -вызов редактора переменных (в режиме Transient).

2. Создание чертежа схемы

Электрическая схема в МС может быть задана в виде графического изображения схемы (режим Schematic) или ее текстового описания. В дальнейшем рассматривается графический способ создания и редактирования схемы. Для быстрого освоения приемов редактирования команды, приводимые в тексте, дублируются соответствующими пиктограммами команд (при их наличии).

Новая схема создается по команде File>New () при выборе в появившемся ниспадающем меню опции схемы — Schematic. В результате выполнения команды открывается экран (рабочее окно), на котором и создается новая схема. Для удобства построения новой схемы рекомендуется с помощью пиктограммы (Options>View/Grid) нанести на экран координатную сетку, минимальный шаг которой равен 0,1 дюйма.

Выбор символа компонента в схему возможен с помощью нескольких приемов (см. разд. 2.1):

— обращение в меню Component;

— размещение в рабочем окне специальных панелей с компонентами (Ctrl+<�номер панели>);

— использование пиктограмм компонентов в строке инструментов.

Выбранный тем или иным способом компонент размещается на схеме щелчком мыши и перемещением курсора в нужное место окна. Фиксация компонента на схеме выполняется повторным щелчком мыши, при этом компонент приобретет цветную фоновую заливку. Повернуть компонент на 900 можно, если, удерживая после выделения компонента левую кнопку мыши, щелкнуть по правой кнопке.

При выборе компонентов из библиотек Analog Primitives и Digital Primitives необходимо произвести ввод и редактирование атрибутов компонента. Диалоговые окна атрибутов открываются после фиксации компонентов на схеме. Вызвать окно для редактирования атрибутов компонентов (в том числе и из коммерческих библиотек Analog Library и Digital Library) можно и двойным щелчком курсора по символу элемента схемы. Простейшие компоненты (резистор, конденсатор, индуктивность, источник постоянного напряжения и т. п.) имеют минимальный набор атрибутов (рис. 2.6), к которым относятся позиционное обозначение PART (например, R1, R2, C1, L1, V) и номинальное значение параметра VALUE.

Программа МС по умолчанию назначает первый символ позиционного обозначения согласно табл. 2.3. Пользователь через диалоговое окно компонентов может вручную изменять позиционные обозначения (например, согласно ЕСКД транзисторы принято обозначать как VT, цифровые схемы — как DD и т. д.).

Таблица 2.3

Атрибуты задаются при создании компонента в МС, а их количество определяется типом компонента (см. рис. 2.6, 2.7). Каждый атрибут имеет имя (Name) и значение (Value), которые можно редактировать в окне атрибутов и вывести на схему с помощью панели управления Show. На панелях управления Display при необходимости задается видимость на схеме имен и номеров выводов компонентов (Pin Names, Pin Numbers).Большинство компонентов (за исключением простейших) имеют атрибут имени модели — MODEL. При выборе имени подходящей модели компонента из списка, расположенного в окне справа от окна атрибутов (например, название транзистора, диода, источника сигнала и т. д.), автоматически устанавливаются присущие данному компоненту параметры, которые также можно редактировать. На рис. 2.7 показан выбор модели источника импульсного сигнала (Pulse source): MODEL = SQUARE, генерирующего импульсы типа меандр с амплитудой 5 В (VONE = 5) и периодом 1 мкс (P5 =1u). Временные параметры P1 = P2 = 0 обозначают начало полупериода меандра высокого уровня, а P3 = P4 = 500n — начало полупериода низкого уровня в пределах временного интервала 0…1 мкс.

Компоненты электрической схемы можно соединять между собой непосредственно (если это возможно графически) или с помощью электрических цепей (проводников), которые вызываются щелчком мыши по пиктограммам. Начало проводника отмечается щелчком мыши на выводе компонента. Далее, не отпуская левую клавишу мыши, переводят курсор на вывод другого компонента. Отпускание клавиши фиксирует окончание проводника. При выборе пиктограммы проводник, располагаясь на схеме по горизонтали или вертикали, может содержать один изгиб под углом 900. Пиктограмма обеспечивает ввод проводников под произвольным углом. При включенной в окне Preferences (закладка Common Options) опции Node Snap не обязательно точно позиционировать курсор на вывод компонента или точку проводника. Достаточно подвести его в соседний от вывода узел сетки и программа сама выполнит электрическое соединение. Следует отметить, что если в процессе проведения проводника он пересекает другой проводник или вывод компонента, не касаясь их конечной точки, электрическое соединение не образуется. Для соединения проводимого проводника с серединой вывода компонента или другого проводника (Т-образная цепь) он должен заканчиваться в точке предполагаемого соединения.

Удаление со схемы компонента или проводника (после их выделения щелчком мыши) осуществляется нажатием на клавиатуре клавиши Delete. Перемещение компонентов в рабочем окне без нарушения электрических соединений возможно, если нажата пиктограмма. Созданная и отредактированная схема обязательно должна быть подсоединена к «земле» ().

В процессе создания электрической схемы программа MC8 автоматически присваивает узлам схемы порядковые номера в виде целых чисел. Узлу «земля» программа присваивает номер 0. Кроме того, пользователь по команде Options>ModeText может присвоить любому узлу имя в виде текстовой алфавитно-цифровой переменной, начинающейся с буквы или символа «_». Например — A1, Out, Input, Reset. В последующем на номер или имя узла можно ссылаться при задании переменных в различных режимах анализа.

Помимо нанесения на схему атрибутов отдельных компонент можно нанести и любой другой текст (обозначения входов и выходов схемы, имена цепей, описание моделей компонентов и иные текстовые комментарии). Текст наносится в режиме Options>Mode/Text (). Точка схемы, где должен начинаться текст, выбирается курсором и фиксируется щелчком мыши, а сам текст заносится в открывающемся окне. Завершение ввода производится клавишей [Enter] или щелчком мыши по кнопке Ok. Присвоение имени цепям не только упрощает читаемость схемы, но и позволяет ссылаться на них при выводах результатов моделирования. При необходимости редактирования текста (в том числе и атрибута компонента) необходимо выделить его в режиме выбора () и дважды щелкнуть мышью на выбранном тексте. Выделенный текст при этом выводится в диалоговом окне для просмотра и редактирования.

Для запоминания созданного чертежа схемы используются команды Save () или Save As с указанием типа файла Schematic.

3. Форматы задания компонентов и переменных

Все компоненты в Micro-Cap 8 могут быть заданы двумя способами:

— непосредственным заданием в открывшемся окне параметров (рис. 2.6, 2.7) номинального значения компонента (позиция VALUE) или имени используемой модели (позиция MODEL);

— текстовый ввод информации о компоненте в графическом режиме ввода схемы или в формате SPICE.

Ниже рассматривается первый способ в силу его простоты и наглядности для начинающего пользователя. В то же время следует отметить, что второй способ более универсален, поскольку предоставляет пользователю ряд дополнительных возможностей при выполнении анализа. Ввод номинальных значений компонентов осуществляется в системе СИ, за исключением катушки с магнитным (нелинейным) сердечником. Числовые значения параметров представляются в виде:

— действительных чисел с фиксированным десятичным знаком (точкой). Например, сопротивление 2,5 кОм, записывается как 2500, а емкость 1 мкФ — как 0.1;

— действительных чисел с плавающим десятичным знаком (точкой) — показательная форма. Например, емкость 1 мкФ может быть задана как 1E-6, а сопротивление 2,5 кОм — как 2.5Е3;

— действительных чисел с плавающим десятичным знаком в инженерной интерпретации, согласно которой различные степени 10 обозначаются следующими суффиксами:

P (p) (пико) — 10−12 T (t) (тера) — 1012

N (n) (нано) — 10−9 G (g) (гига) — 109

U (u) (микро) — 10−6 MEG (meg) (мега) — 106

M (m) (милли) — 10−3 K (k) (кило) — 103.

Для экономии места на осях X, Y графиков (при построении графиков результатов моделирования) малая буква «m» обозначает 10−3, а большая буква «M» — 106 (вместо MEG). Во всех остальных случаях большие и малые буквы не различаются, и сопротивление 2,5 МОм может быть записано как 2.5MEG, 2.5meg или 2500k, а емкость 1 мкФ — как 1U, 1u или 1uF. Последнее обозначение показывает, что для наглядности записи параметров компонентов после стандартных суффиксов (показателей степени 10) допускается помещать любые символы (в примере F), которые программой МС игнорируются. Пробелы между числом и буквенным суффиксом не допускаются.

В программе MC8 ряд констант и переменных имеют стандартные обозначения:

T — время в секундах;

F — частота в герцах;

E — EXP (1) = 2,718 281 828;

S — комплексная переменная (в курсе ОТЦ обозначается как p);

GMIN — минимальная проводимость цепи (задается в окне Options>Global settings;

PI — число р = 3,14 159 265 389 795;

TEMP — температура компонентов в градусах Цельсия;

VT — температурный потенциал p-n-перехода (VT = 25,86 419 mB при TEMP = 270C);

J — корень квадратный из -1;

Tmin — начальный момент времени расчета переходных процессов;

Tmax — конечный момент времени расчета переходных процессов;

Fmin — начальная частота расчета частотных характеристик;

Fmax — конечная частота расчета частотных характеристик;

PGT — общая мощность, генерируемая в схеме;

PST — общая мощность, запасаемая в схеме;

POT — общая рассеиваемая в схеме мощность;

Z — комплексная переменная, используемая при анализе дискретных устройств (цифровых фильтров).

Математические выражения переменных, используемых при моделировании, должны иметь следующий вид (выделенные жирным шрифтом буквы обязательны, поскольку они определяют тип переменной в MC8):

D(A) — логическое состояние цифрового узла A;

V(A) — напряжение на узле A относительно «земли»;

V(A, B) — разность потенциалов между узлами A и B;

V(D1) — напряжение между выводами двухвыводного компонента D1;

I(D1) — ток через двухвыводной компонент D1;

I(A, B) — ток через ветвь между узлами AиB (если ветвь единственная);

IR (Q1) — ток, втекающий в вывод R компонента Q1;

VRS (Q1) — напряжение между выводами R и S компонента Q1;

CRS (Q1) — емкость между выводами R и S компонента Q1;

QRS (Q1) — заряд емкости между выводами R и S компонента Q1;

R(R1) — сопротивление резистора R1;

C(X1) — емкость конденсатора или диода X1;

Q(X1) — заряд конденсатора или диода X1;

L(X1) — индуктивность катушки индуктивности или сердечника X1;

X(L1) — магнитный поток в катушке или сердечнике X1;

B(L1) — магнитная индукция сердечника L1;

H(L1) — напряженность магнитного поля в сердечнике L1;

PG(V1) — мощность, генерируемая источником V1;

PS(X1) — реактивная мощность, накапливаемая в устройстве X1;

PD(D1) — мощность, рассеиваемая в устройстве D1.

В приведенном выше перечне переменных символы A и B обозначают номера узлов схемы, D1 — имя компонента с двумя выводами или управляемого источника, Q1 — имя активного устройства или линии передачи. Символы R и S при задании переменных заменяются аббревиатурами выводов устройств согласно табл. 2.4, причем прописные буквы для наглядности могут быть заменены на строчные (C>c, B>b, E>e и т. д.). Например: I (R1) — ток через резистор R1; IC (Q1) или Ic (Q1) — ток коллектора биполярного транзистора Q1; I (1,2) — ток, протекающий между узлами 1 и 2 схемы; V (2) — напряжение в узле 2 схемы относительно «земли»; V (L1) — падение напряжения на индуктивности L1; VBE (Q1) или Vbe (Q1) — напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора Q1 и т. п.

Таблица 2.4

Для указания переменных при проведении моделирования, а также в сложных текстовых директивах .DEFINE формата SPICE допускается использование математических выражений и функций. В частности, можно воспользоваться стандартными арифметическими операциями (+. -. *, / - сложение, вычитание, умножение и деление; DIV — целочисленное деление; MOD — остаток целочисленного деления), а также известными тригонометрическими, показательными или логарифмическими функциями от действительных (x) и комплексных (z) величин, приведенными в табл. 2.5.

Для анализа результатов моделирования программа Micro-Cap 8 содержит интегрально-дифференциальные операторы и специальные операторы обработки сигналов, в частности:

DER (u,x) -производная переменной u по переменной x;

DDT(y) — производная процесса y (t) относительно времени T;

SUM(y,x[,start]) — текущий интеграл от переменной y по переменной x, начальное значение x равно start;

SDT(y) — текущий интеграл процесса y (t) относительно времени T, начиная с T = Tmin;

RMS(y[,start]) — текущее среднеквадратичное значение величины y;

AVG(y[,start]) — текущее среднее значение переменной y;

FFT(u), IFT(S) — прямое и обратное дискретное преобразование Фурье;

AC(u) — автокорреляционная функция сигнала u (t);

CC(u,v) — взаимная корреляционная функция сигналов u (t) и v (t);

THD(S[F]) — расчет коэффициента нелинейных искажений спектра S;

MAG(S) — модуль спектра S, рассчитанного с помощью FFT;

PHASE(S) — фаза спектра S, рассчитанного с помощью FFT и т. д.

Таблица 2.5

Полный перечень функций и операторов можно найти в или в меню HELP программы Micro-Cap 8.

Заключение

MicroCAP-7 — это универсальный пакет программ схемотехнического анализа, предназначенный для решения широкого круга задач. Характерной особенностью этого пакета, впрочем, как и всех программ семейства MicroCAP (MicroCAP-3… MicroCAP-8) [1, 2], является наличие удобного и дружественного графического интерфейса, что делает его особенно привлекательным для непрофессиональной студенческой аудитории. Несмотря на достаточно скромные требования к программно-аппаратным средствам ПК (процессор не ниже Pentium II, ОС Windows 95/98/ME или Windows NT 4/2000/XP, память не менее 64 Мб, монитор не хуже SVGA), его возможности достаточно велики. С его помощью можно анализировать не только аналоговые, но и цифровые устройства. Возможно также и смешанное моделирования аналого-цифровых электронных устройств, реализуемое в полной мере опытным пользователем пакета, способным в нестандартной ситуации создавать собственные макромодели, облегчающие имитационное моделирование без потери существенной информации о поведении системы.

1. Разевиг В. Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap V. — Москва, «Солон», 1997. — 273 с. 621.3 Р17 /1997 — 1 аб, 3 чз

2. Разевиг В. Д. Система сквозного проектирования электронных устройств Design Lab 8.0. — Москва, «Солон», 1999. 004 Р-17 /2003 — 1 аб/ 2000 — 11 аб, 5 чз

3. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение.— Москва: Солон-Р, 2001. — 726 с. 004 K23/ 10 аб, 5 чз.

4. Micro-Cap 7.0 Electronic Circuit Analysis Program Reference Manual Copyright 1982;2001 by Spectrum Software 1021 South Wolfe Road Sunnyvale, CA 94 086